第3章--S7系列PLC概述

第3章S7系列PLC概述,高等职业教育机电系列教材,教学目的和要求,熟悉S7-200PLC的规格、系统构成，掌握S7-200CPU存储器的数据类型及寻址方式。教学手法根据教学内容的不同，采用“情景导入法”、“问题探究法”、“直观教学法”、“分析归纳法”、“案例分析法”、“案例驱动法”等教学方法。授课重点与难点重点存储器区域的寻址方式。难点PLC的内部配置与IO接口。,授课要点与授课设计,3.1S7-200系列PLC的构成2学时及性能指标3.2S7-200CPU存储器数据类型及寻址方式2学时3.3S7-300和S7-400系列PLC简介教学设计：首先主要讲解S7-200系列PLC的组成、性能指标及其功能；然后讲解S7-200CPU存储器的数据类型及寻址；重点介绍S7-200CPU存储器区域的直接寻址。作业:3.13.23.43.5,3.1S7-200系列PLC的构成及性能指标3.2S7-200CPU存储器数据类型3.3S7-300和S7-400系列PLC简介本章小结,3.1.1S7-200系统功能概述3.1.2S7-200PLC的构成及性能指标3.1.3S7-200CPU的工作过程和工作方式,3.1S7-200系列PLC的构成及性能指标,3.1.1S7-200系统功能概述,SIMATICS7-200系列PLC是小型PLC，全部采用整体式结构，其硬件系统由CPU模块和丰富的扩展模块构成。S7-200PLC除具有基本的控制功能外，还具有：（1）功能强大的指令集；（2）丰富强大的通讯功能；（3）编程软件的易用性：Step7-Micro/WIN32编程软件为用户提供了开发、编辑和监控的良好编程环境。,1S7-200PLC主要组成S7-200系列PLC主要有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226四种主机CPU型号，全部是整体式结构。该系列PLC的硬件系统主要包含：基本单元（或称主机、CPU模块）、扩展模块、特殊功能模块、编程器等外设。(1)基本单元内由CPU、存储器、基本输入/输出（I/O）点数及电源等组成。它是PLC系统中必不可少的部分。它实际上已是一个能独立实现一定控制任务的完整的控制系统。S7-200主机外形如图。,3.1.2S7-200PLC的构成及性能指标,图3-1S7-200主机外形如图：,各部分的主要作用:CPU负责执行程序和存储数据,以便对工业自动控制任务或过程进行控制;输入/输出是系统的控制点,输入部分从现场设备(如开关、传感器等)中采集信号，输出部分则控制电动机、电磁阀及其它被控设备；电源向CPU及其所连接的模块提供电力。通讯端口允许将S7-200CPU与编程器或其它设备连接起来，完成通信任务；状态信号灯显示了CPU的工作模式（运行RUN或停止STOP），还显示主机I/O的当前状态以及检查出的系统错误；,（2）扩展模块是用来增加I/O点数的部件，用户可根据实际需要灵活地改变系统的输入/输出点数。不同型号的PLC所能连接的扩展模块数量有所不同（详见表4.1）。（3）特殊功能模块是用来增加PLC控制功能的部件。如将高速计数器模块、通信模块、PID模块等与主机连接可完成相应的特殊控制功能。,2S7-200CPU主要性能指标对于每个型号，西门子提供DC（24V）和AC（120220V）两种供电的CPU类型。四种CPU均有晶体管输出和继电器输出两种类型。如CPU224DC/DC/DC和CPU224AC/DC/Relay，其含义如下：,表3-1S7-200CPU通用规范,表3.2S7-200CPU主要性能指标,3.扩展模块S7-200CPU为了扩展I/O点数和执行特殊的功能，可以连接扩展模块（CPU221除外）。扩展模块主要有：数字量I/O模块、模拟量I/O模块、通讯模块和特殊功能模块。如：EM221DI8XDC24V(8点24VDC数字量输入扩展模块)EM222DO8XDC24V(8点24VDC数字量晶体管输出扩展模块)CP243-1（工业以太网通讯模块）常用扩展模块所消耗5VDC电流详见表3-3。,表3-3常用扩展模块所消耗5VDC电流,4CPU存储器的保持（1）CPU提供了一个EEPROM来永久保存用户程序、选择的数据区和CPU的组态数据；（2）CPU提供了一个超级电容器，在CPU掉电时保存完整的RAM存储器。根据CPU模块类型，超级电容器可保存RAM存储器达几天之久；（3）CPU提供了一个可选的电池卡，当CPU掉电后，可延长RAM存储器保持的时间。电池卡只有在超级电容器耗尽后才提供电源。,5电源计算每个实际项目都要就电源容量进行规划计算。不同规格的CPU提供5VDC和24VDC电源的容量不同(表3-1)。每个CPU模块都有一个24VDC传感器电源,它为本机输入点和扩展模块继电器线圈提供24VDC。如果电源要求超出CPU24VDC的供电能力，可增加一个外部的24VDC给扩展模块继电器线圈供电。CPU还要为扩展模块提供5V电源，如扩展模块的5V电源需求超出CPU的供电能力，就必须减少扩展模块数量或改变模块配置。,6.最大I/O配置S7-200CPU虽然具有相同大小的I/O映像区，但不同CPU的最大I/O还受下面几种情况的限制：（1）模块数量：CPU221不能扩展；CPU222最多扩展2个模块；CPU224及226最多扩展7个模块。（2）数字量映像寄存器大小：（3）模拟量映像寄存器大小：（4）CPU内部电源所能提供的5VDC电源容量和每种扩展模块所消耗的电流。表3-2列出了S7-200CPU的最大I/O配置。,7.I/O地址分配规则CPU组态指的是配置PLC系统的主机及相连的各个模块的功能和参数，使其在一定的方式下工作。其主要内容有I/O地址分配规则等。S7-200系列PLC的每种类型CPU模块提供的主机I/O点具有固定的I/O地址。当需要扩展时，可将I/O扩展模块接到CPU右边。每个扩展模块的地址由I/O类型及模块在I/O链中的位置决定。S7-200共有4类I/O：数字量输入（DI）、数字量输出（DO）、模拟量输入（AI）、模拟量输出（AQ）。,I/O地址分配规则是：1)每一类I/O分别排列地址，从CPU开始算起，I/O点从左到右按由小到大的规律排列，扩展模块的类型和位置一旦确定，则它的I/O点地址也随之确定。2)CPU给数字量扩展模块的输入输出映像寄存器的单位长度为8位（1个字节），某模块实际位不足8位的，没有使用的高位也不能分配给I/O链的后续模块。3)CPU给模拟量扩展模块是以2字节递增方式来分配空间。,I/O地址分配举例：如某PLC控制系统需要的输入输出点数为：数字量输入25点、数字量输出21点，模拟量输入5点、模拟量输出2。能够满足此要求的配置有多种，表3-6列出了其中的一种,该种配置共有数字量输入26点、数字量输出22点、模拟量输入8点、模拟量输出2点，可满足控制系统的需要。,表3-4I/O地址分配举例,3.1.3S7-200CPU的工作过程和工作方式,1.S7-200CPU的工作过程S7-200CPU周而复始地执行一系列任务，每执行一次称为一个扫描周期。在一个扫描周期内CPU执行以下操作：（1）读输入（2）执行用户程序（3）处理通讯请求（4）执行自诊断（5）输出处理,对第(2)点的说明：如果在程序中使用了中断，与中断事件相关的中断程序就作为程序的一部分存储下来。中断程序并不作为正常扫描周期的一部分来执行，而是当中断事件发生时才执行（中断事件可能发生在扫描周期的任意点上）.不论在主程序或中断程序执行过程中，立即I/O指令允许用户对输入点和输出点直接存取。对采用直接方式的模拟量的输入输出,其处理与立即I/O指令的方式大致相同。,2S7-200CPU的工作模式（1）停止模式（STOP）：CPU不执行程序，这时可以向CPU装载程序或配置CPU。（2）运行模式（RUN）：CPU运行程序。,3.2S7-200CPU存储器的数据类型及寻址方式,3.2.1S7-200CPU存储器数据类型及表示方法3.2.2存储器区域的直接寻址3.2.3存储器区域的SIMATIC间接寻址,S7-200将信息存于不同的存储器单元，每个单元都有唯一的地址，只要明确指出要存取的存储地址，用户程序就可以直接存取其中的信息。在S7-200PLC中，CPU存储器的寻址方式分为直接寻址和间接寻址两种不同的形式。直接寻址方式：按给定地址所找到的存储单元中的内容就是操作数。间接寻址方式：使用指针来存取存储器中的数据。在存储单元中放置一个地址指针，按照这一地址找到的存储器中的数据才是所要取的操作数。,3.2.1S7-200CPU存储器数据类型及表示方法,SIMATICS7-200系统PLC的数据类型有：逻辑型、整型和实型（或浮点型）。实数采用32位单精度来表示。表3-7列出了不同的数据长度所表示的数值范围。在许多S7-200指令中经常会使用到常数。常数值可为字节、字和双字。CPU以二进制方式存储所有常数，也可用十进制、十六进制、ASCII码或浮点数形式来表示，表3-8列出了常数的各种表示方式。,表3-5数据长度和数值范围,表4-6常数的表示,3.2.2存储器区域的直接寻址,1.编程元件编程元件是PLC内部的具有一定功能的各种单元电路，由于它们与物理元件有很大的差别，一般称它们为“软继电器”（虚拟继电器）,也就是说PLC内部含有成千上万个肉眼看不见的虚拟继电器。每一个编程元件与PLC的元件映像寄存器的一个存储单元相对应。,2直接寻址方式,PLC中的各种编程元件的功能是相互独立的，它们均用一定的字母来命名。元件名称实质上代表存储器区域。元件地址：同名元件按一定规则进行的编号。即存储器区内编号S7-200将编程元件统一归为存储器单元，存储单元按字节进行编址。使用这些元件编程时必须用元件名称（即区域号）和元件地址（即区内编号）来加以识别。,图3-2位寻址举例:,I：输入映像位区,I5.2,图3-3字节寻址举例：,注意:当涉及到多字节组合寻址时，S7-200遵循“高地址、低字节”规律。如果将9A（十六进制数）送入VB100，7B（十六进制数）送入VB101，那VW100的值将是9A7B，即VB101作为高地址字节，保存的则是数据的低字节部分。,S7-200PLC的编程元件的直接寻址方式(1)输入映像寄存器（I）寻址输入映像寄存器是以字节为单位的寄存器，它的每一位对应一个外部数字量输入端子。可以按位、字节、字及双字来存取输入映像寄存器中的数据。格式：位寻址：I字节地址.位地址如:I0.2字节、字、双字寻址：I长度起始字节地址如：IB2,IW3,ID4,(2)输出映像寄存器（Q）寻址输出映像寄存器也是以字节为单位的寄存器，它的每一位对应一个外部数字量输出端子。可以按位、字节、字及双字来存取输出映像寄存器中的数据。格式：位寻址：Q字节地址.位地址如：Q1.2字节、字、双字寻址：Q长度起始字节地址如：QB2,QW6,QD3,(3)变量存储器（V）寻址变量存储器用于存储程序执行过程中控制逻辑操作的中间结果，也可以用来保存与工序或任务相关的其它数据。可以按位、字节、字及双字来存取变量存储器。格式：位寻址：V字节地址.位地址如：V10.2字节、字、双字寻址：V长度起始字节地址如：VB20,VW6,VD11,(4)位存储器（M）寻址可以用位存储器作为通用辅助继电器来存储中间操作状态和控制信息。同样可以按位、字节、字及双字来存取位存储器区中的数据。格式：位寻址：M字节地址.位地址如：M26.2字节、字、双字寻址：M长度起始字节地址如：MB6,MW6,MD20,(5)顺序控制继电器（S）存储器区寻址顺序控制继电器（S）用于组织机器操作或进入等效程序段的步进控制。SCR指令提供控制程序的逻辑分段。可以按位、字节、字及双字来存取顺序控制继电器中的数据。格式：位寻址：S字节地址.位地址如：S6.2字节、字、双字寻址：S长度起始字节地址如：SB20,SW6,SD11,(6)特殊标志存储器（SM）特殊标志存储器的位提供了CPU和用户程序之间传递信息的方法。可以使用这些位选择和控制S7-200CPU的一些特殊功能。可以按位、字节、字及双字来存取存特殊标志存储器中的数据。格式：位寻址：SM字节地址.位地址如：SM0.2字节、字、双字寻址：SM长度起始字节地址如：SMB2,SMW6,SMD1,(7)局部存储器（L）区寻址局部存储器与变量存储器很相似，主要区别是变量存储器用来存放全局变量且在全局有效，而局部存储器用来存放局部变量且在局部有效。全局有效是指一个存储器可以被任何程序存取（如:主程序、子程序和中断程序）存取访问；局部有效则是指存储器仅与特定的程序相关联。可以按位、字节、字及双字来存取局部存储器中的数据。另外，可以把局部存储器作为间接寻址的指针，但是不能作为间接寻址的存储器区。格式：位寻址：L字节地址.位地址如：L6.2字节、字、双字寻址：L长度起始字节地址如：LB2,LW6,LD11,(8)定时器（T）存储器区寻址定时器是累计时间增量的器件，用来进行延时控制，它相当于继电接触器控制系统中的时间继电器。S7-200定时器精度（也叫时基增量，或时间增量，或时间单位）分三种：1ms，10ms，100ms。定时器寻址有两种形式，两种寻址格式相同。如：T31不仅是定时器的地址，T31还包含了两方面的变量信息：1）定时器当前值：它用16位有符号整数表示，存储定时器当前所累计的时间；2）定时器位：表示定时器是否发生动作的状态。按照定时器的当前值和预置值的比较结果置位或复位，如定时器的当前值达到预置值时，该位被置为“1”，否则为“0”。带位操作数的指令存取定时器位，而带字操作数的指令存取定时器当前值。详见后面章节。,(9)计数器（C）存储器区寻址计数器用于累计输入端脉冲电平的次数。CPU提供三种类型的计数器：加计数、减计数、加/减计数。计数器也有两种寻址形式，其格式相同，如：C6不仅是计数器的地址，C6还包含了两方面的变量信息：1）计数器当前值：是一个16位有符号整数，存储计数器当前所累计的输入脉冲个数；2）计数器位：表示计数器是否发生动作的状态。按照计数器当前值和预置值的比较结果来置位或复位。带位操作数的指令存取计数器位，而带字操作数的指令存取当前值。详见后面章节。,(10)高速计数器（HC）寻址高速计数器用来累计比CPU扫描速度更快的脉冲。CPU221及CPU222均有四个高速计数器，CPU224及CPU226均有六个。高速计数器的当前值为32位有符号整数，且为只读数据，可作为双字（32位）来寻址。格式：HC高速计数器号如：HC2MSB（最高有效字节）HC2LSB（最低有效字节）,(11)累加器（AC）寻址累加器是与存储器相仿的存取数据的读/写器件。例如，可用来向子程序传递参数、从子程序返回参数、存储计算的中间值。CPU只提供了四个32位累加器（AC0、AC1、AC2、AC3）(这也反映了S7-200CPU的中央处理芯片数据长度为32位)。可以按字节、字及双字来存取累加器中的数据，若按字节或字来存取累加器只能使用其8位或16位，按双字存取累加器可以使用全部32位。存取数据的长度由所用指令来决定。格式：AC累加器号如：AC3,(12)模拟量输入映像寄存器（AI）寻址S7-200PLC将实际系统中的模拟量输入值（如温度、速度、流量等）转换成1个字长（16位）的数字量。寻址格式:格式：AIW起始字节地址如：AIW6即存取模拟量输入值图3-4。,(13)模拟量输出映像寄存器（AQ）寻址S7-200PLC把一个字长（16位）数值按比例转换为电流或电压。因为模拟输出量为一个字长，且从偶数字节（如：0，2，4）开始，必须使用偶数字节地址（如：AQ0，AQ2）来设置这些值。用户程序无法读取这个模拟输出值。寻址格式:格式：AQW起始字节地址如：AQW6即存取模拟量输出值图3-5。最高有效字节（MSB）最低有效字节（LSB）,AQW6,表3-7S7-200PLC编程元件,3.2.3存储器区域的SIMATIC间接寻址,间接寻址方式是使用指针来存取存储器中的数据。S7-200CPU允许使用指针对下面存储器区域进行间接寻址：I、Q、V、M、S、T（仅当前值）、C（仅当前值）。但不可以对独立的位（BIT）或模拟量进行间接寻址。使用间接寻址方式访问存储器区域需要建立指针、间接存取以及修改指针。,(1)建立指针只能使用变量存储器(V)、局部变量存储器(L)和累加器(AC)作为指针。指针为双字值，是需被访问的存储器的物理地址。为了生成指针，必须使用双字传送指令(MOVD)，将所要访问的存储器区地址放入用来作为指针的存储器或寄存器中。如：MOVD&VB100,VD201MOVD&MB11,AC2MOVD&C6,LD6“&”是取地址符号，&VB100表示VB100单元的32位物理地址，而VB100本身是一个直接地址编号，注意区别。指令中的第二个操作数是用来存放物理地址的，它必须是双字长，如上面的VD、AC、LD。,(2)间接存取操作数前面加有“*”则表示该操作数为一个指针。例：MOVD&VW100，AC2MOVW*AC2，AC3第一条指令将VW100的地址移入AC2中，即建立地址批针；第二条指令中的*AC2表示AC2为MOVW指令确定的一个字长的存储单元的指针。执行结果：将指针所指的一个字长的数据（VW100，VW101）送到累加器AC3中。,(3)修改指针可以用双字指令来修改指针大小。例：INCDAC1INCDAC1MOVW*AC1，AC2前两条指令使AC1中的内容增加了两个单位变成了下一个数据的地址（VW102的起始字节地址）；第三条指令将指针所指的一个字长的数据（VW102、VW103中内容）送到累加器AC2中。存取字节时，指针调整单位为1；存取一个字、定时器或计数器的当前值时，指针调整单位为2；存取双字时，指针调整单位为4。,3.3S7-300和S7-400系列PLC简介,3.3.1S7-300系列PLC简介3.3.2S7-400系列PLC简介,3.3.1S7-300系列PLC简介,S7-300是模块化中小型PLC系统，S7-300PLC的特点是：(1)模块化中小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用；(2)大范围的各种功能模块可以非常好地满足和适应自动控制任务；(3)由于简单实用的分散式结构和多界面网络能力，使得应用十分灵活；(4)当控制任务增加时，可自由扩展；(5)由于大范围的集成功能使得它功能非常强劲(6)方便用户和简易的无风扇设计。,图3-6S7-300外形图：,S7-300PLC的应用S7-300是西门子PLC的中端产品，有着非常广泛的应用基础。SIMATICS7-300PLC的应用领域包括：(1)专用机床(5)控制系统(2)纺织机械(6)楼宇自动化(3)包装机械(7)通用机械工程应用(4)机床(8)电器制造工业和相关产业多种性能递增的CPU和丰富的且带有许多方便功能的I/O扩展模块，使用户可以完全根据实际应用选择合适的模块。当任务规模扩大并且越来越复杂时，可随时使用附加模块对PLC进行扩展。,3.3.2S7-400系列PLC简介,SIMATICS7-400PLC是模块化大型PLC的系统，它是适用于中、高档性能范围的可编程序控制器。该系列是模块化无风扇结构，可靠耐用。S7-400系列与300系列的区别主要是规模和性能上更强大，启动类型有冷启动（CRST）和热启动（WRST）之分，它还有一个外部的电池电源接口，当在线更换电池时可以向RAM提供后备电源。,图3-7S7-400PLC部分模块:,SIMATICS7-400可编程控制器采用模块化设计，不同性能模板可灵活组合，扩展十分方便。一个系统可包括：(1)电源模板(PS):将SIMATICS7-400连接到120/230VAC或24DC电源上。(2)中央处理单元(CPU):有多种CPU可供用户选择，有些带有内置的PROFIBUS-DP接口。(3)通讯处理器(CP)：用于总线连接和点到点连接。(4)功能模板(FM)：专门用于计数、定位、凸轮控制任务。(5)接口模板(IM):用于连接中央控制单元和扩展单元。SIMATICS7-400中央控制器最多能连接21个扩展单元。(6)信号模块(SM)：用于数字量和模拟量输入/输出。,S7-400PLC的应用主要包括下面领域:通用机械、汽车制造、立体仓库、工具机床、过程控制、仪表控制